Resumo: O dano por eletromigração nas interconexões é um gargalo bem conhecido dos circuitos integrados, pois causam problemas de confiabilidade. A operação em temperaturas e densidades de corrente elevadas acelera os danos, aumentando a resistência da interconexão e, portanto, reduzindo a vida útil do circuito. Este problema tem se acentuado com o escalonamento da tecnologia. Para garantir a confiabilidade da interconexão e, como consequência, a confiabilidade do circuito integrado, métodos tradicionais baseados no chamado Efeito Blech e numa densidade de corrente máxima permitida são implementados durante o projeto da interconexão. Esses métodos, no entanto, não levam em consideração o impacto da eletromigração no desempenho do circuito. Neste trabalho, a abordagem tradicional é estendida e um método para avaliar o efeito da eletromigração no desempenho de circuito integrado é desenvolvido. O método é implementado em uma ferramenta que identifica as interconexões críticas em um circuito integrado e sugere larguras adequadas com base em diferentes critérios para mitigar os danos à eletromigração e aumentar a confiabilidade. Além disso, é determinada a variação dos parâmetros de desempenho do circuito conforme a resistência das interconexões aumenta. A ferramenta é incorporada ao fluxo de projeto do circuito integrado e usa os dados dos kits de projeto e relatórios diretamente disponíveis no ambiente de projeto. Uma análise precisa da distribuição de temperatura na estrutura de interconexão é essencial para uma melhor avaliação da confiabilidade da interconexão. Portanto, é implementado um modelo para calcular a temperatura em cada nível de metalização da estrutura de interconexão. A distribuição de temperatura nas camadas de metalização de diferentes tecnologias é investigada. É mostrado que a temperatura no Metal 1 da tecnologia Intel 10 nm aumenta 75 K, 12 K mais alta que no Metal 2. Como esperado, as camadas mais próximas dos transistores sofrem um aumento de temperatura mais significativo. A ferramenta é aplicada para avaliar eletromigração nas interconexões e na robustez de diferentes circuitos, como um oscilador em anel, um circuito gerador de tensão de referência tipo bandgap e um amplificador operacional. O amplificador operacional, em particular, é cuidadosamente estudado. A metodologia proposta identifica interconexões críticas que quando danificadas por eletromigração causam grandes variações no desempenho do circuito. No pior cenário, a frequência de corte do circuito varia 65% em 5 anos de operação. Uma descoberta interessante é que a metodologia proposta identifica interconexões críticas que não seriam identificadas pelos critérios tradicionais. Essas interconexões operam com densidades de corrente abaixo do limite recomendado pelas regras de projeto. No entanto, uma dessas interconexões leva a uma variação de 30% no ganho do amplificador operacional. Em resumo, a ferramenta proposta verificou que dos 20% de caminhos com uma densidade crítica de corrente, apenas 3% degradam significativamente o desempenho do circuito. Este trabalho traz o estudo da confiabilidade das interconexões e de circuitos integrados para a fase de projeto, o que permite avaliar a degradação do desempenho do circuito antecipadamente durante o seu desenvolvimento. A ferramenta desenvolvida permite ao projetista identificar interconexões críticas que não seriam detectadas usando o critério de densidade máxima de corrente, levando a uma análise mais ampla e precisa da robustez de circuitos integrados Ver menos

Abstract: Electromigration damage in interconnects is a well-known bottleneck of integrated circuits, because it causes reliability problems. Operation at high temperatures and current densities accelerates the damage, increasing the interconnect resistance and, therefore, reducing the circuit lifetime. This issue has been accentuated with the technology downscaling. To guarantee the interconnect reliability and, as a consequence, the integrated circuit reliability, traditional methods based on the so-called Blech Effect and on the maximum allowed current density are implemented during interconnect design. These methods, however, do not take into account the impact of the electromigration on the circuit performance. In this work the traditional approach is extended and a method to evaluate the effect of the electromigration in an integrated circuit performance is developed. The method is implemented in a tool which identifies the critical interconnect lines of an integrated circuit and suggests the proper interconnect width based on different criteria to mitigate the electromigration damage and to increase the reliability. In addition, the variation of performance parameters of the circuit as an interconnect resistance changes is determined. The tool is incorporated into the design flow of the integrated circuit and uses the data from design kits and reports directly available from the design environment. An accurate analysis of the temperature distribution on the interconnect structure is essential to a better assessment of the interconnect reliability. Therefore, a model to compute the temperature on each metallization level of the interconnect structure is implemented. The temperature distribution on the metallization layers of different technologies is investigated. It is shown that the temperature in the Metal 1 of the Intel 10 nm can increase by 75 K, 12 K higher than in the Metal 2. As expected, the layers that are closer to the transistors undergo a more significant temperature increase. The tool is applied to evaluate the interconnects and the robustness of different circuits, namely a ring oscillator, a bandgap voltage reference circuit, and an operational amplifier, against electromigration. The operational amplifier, in particular, is thoroughly studied. The proposed methodology identifies critical interconnects which under electromigration cause large variations in the performance of the circuit. In a worst-case scenario, the cutoff frequency of the circuit varies by 65% in 5 years of operation. An interesting finding is that the proposed methodology identifies critical interconnects which would not be identified by the traditional criteria. These interconnects have current densities below the limit recommended by the design rules. Nevertheless, one of such an interconnect leads to a variation of 30% in the gain of the operational amplifier. In summary, the proposed tool verified that from the 20% paths with a critical current density, only 3% degrades significantly the circuit performance. This work brings the study of the reliability of the interconnects and of integrated circuits to the design phase, which provides the assessment of a circuit performance degradation at an early stage of development. The developed tool allows the designer to identify critical interconnects which would not be detected using the maximum current density criterion, leading to more accurate analysis of the robustness of integrated circuits Ver menos